JP2002147283A - 流れを封鎖する排気ノズル - Google Patents

流れを封鎖する排気ノズル

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 排気ガスの流れを完全に封鎖する。 【解決手段】 各上流側フラップ（３０）は、上流側端
部と下流側端部との間に延び、下流側端部が第１の距離
だけ間隔をおいている開位置と、下流側端部が接触して
排気ガス流路を通る流れを実質的に封鎖する閉位置との
間で支持体（２０）に対して可動である。第１及び第２
の相対向する下流側フラップ（５０）は、第１及び第２
上流側フラップ（３０）に可動に接続され、下流側排気
ガス流路を形成する内部表面（５２）を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に航空機ガ
スタービンエンジン用排気システムに関し、具体的に
は、排気ガスの流れを完全に封鎖することができる排気
ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】最新の短距離離陸垂直着陸（ＳＴＯＶ
Ｌ）機は、通常の前進飛行及び垂直もしくは空中静止飛
行を含む広い範囲の飛行条件にわたり有効に動作しなけ
ればならない。これらの飛行条件は、排気ノズルに特別
な要件を課す。前進飛行にあっては、ノズルは、高圧排
気ガスをほぼ水平方向に効率良く加速し、ガスが航空機
の後方端部から出ていく時に前進推力を発生させなけれ
ばならない。垂直飛行にあっては、ノズルは、ガスが水
平方向に出ていくのを阻止し、代わりに、ガスを垂直方
向下方へ向けて揚力を発生させなければならない。
【０００３】ノズルは、一般的に、スロートとして知ら
れる最小流れ面積の平面に至る収束上流側ダクトと、ス
ロートから出口まで延びる拡散下流側ダクトとを形成す
るフラップを含む。ノズルはまた、フラップを動かすた
めの機構を含み、全ての出力設定、飛行速度及び高度に
おいて、効率的なエンジン性能を実現するようにスロー
ト及び出口の寸法を変化させることができる。フラップ
は、非常に振動のある環境において高圧及び高温排気ガ
スへ曝されることに耐えるように構成される。大半のノ
ズルフラップは、フラップに並行に近接して延びる、高
温に耐えるように設計された薄い金属シェルすなわちラ
イナを有する。冷却空気の層は、一般的にライナとフラ
ップとの間に供給される。ライナは、レーダ又は赤外線
の視認性を減少させる、あるいはライナの熱的保護を高
めるための材料からなる１つ又はそれ以上の被覆層を備
えることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】これまでの排気ノズル
では、ノズルを通って出ていくのを全排気流について完
全に阻止することはできなかった。従来のフラップは、
ライナ、被覆層及びフラップ構造体が一般的に壊れやす
く簡単に破損するものであることから、損傷を引き起こ
すことなくノズルを閉じることができない。如何なるも
のであれノズルを通る排気ガスの漏洩があると、有効揚
力を減少させ、航空機性能及びペイロードを低下させ
る。従って、全排気ガスが封鎖されることが重要であ
る。その結果、航空機によっては、流れを完全に封鎖す
るために、展開可能な貝殻のような別体の封鎖装置を排
気システムに有する。これらの装置は、排気システムに
対して実質的な重さ及び複雑さを加える。
【０００５】
【課題を解決するための手段】一般的に言って、本発明
の排気ノズルは、航空機エンジン用のものである。ノズ
ルは、排気ノズルをエンジンの下流側端部に取り付ける
ための支持体と、支持体に可動に接続され、上流側排気
ガス流路を形成する内部表面を有する第１及び第２の相
対向する上流側フラップとを含む。 各上流側フラップ
は、上流側端部と下流側端部との間に延び、下流側端部
が第１の距離だけ間隔をおいている開位置と、下流側端
部が接触して排気ガス流路を通る流れを実質的に封鎖す
る閉位置との間で支持体に対して可動である。第１及び
第２の相対向する下流側フラップは、第１及び第２上流
側フラップに可動に接続さる。下流側フラップは、下流
側排気ガス流路を形成する内部表面を有する。
【０００６】本発明の他の特徴は、一部は明らかであ
り、また一部は以下で指摘する。
【０００７】
【発明の実施の形態】対応する参照符号は、図面の各図
全体を通して、対応する部品を示す。
【０００８】さて、図面、特に図１において、航空機ガ
スタービンエンジン用の排気ノズルを、その全体を符号
１０で示す。ノズル１０は、航空機（図示せず）の後方
端部からほぼ水平方向に出ていくエンジン排気ガス用の
流路を形成する。本発明は、特に、ほぼ矩形形状の流路
とノズルの幅全体にわたってほぼ均一な断面を有するノ
ズルに適するようになっている。そのようなノズルは、
「二次元収束拡散（２−Ｄ Ｃ−Ｄ）ノズル」として知
られている。説明は、主としてこの適用例について行
う。しかしながら、本発明は、本発明の範囲から逸脱す
ることなく、様々な断面形状を持つ他のタイプのノズル
に対しても使用できることを理解されたい。
【０００９】ノズル１０は、排気ガス流の上流側境界を
形成する、全体を１２で示す収束ダクトを含む。ノズル
１０はさらに、排気ガス流の下流側境界を形成する、全
体を１４で示す拡散ダクトを含む。拡散ダクト１４は、
収束ダクト１２から下流に設置される。ガスがノズル１
０を通って下流に移動するにつれて、ガス流にとって利
用できる断面積は、収束ダクト１２においては一般的に
減少し、拡散ダクト１４においては増大する。「スロー
ト」１６として知られる最小断面積の平面は、収束ダク
ト１２と拡散ダクト１４との間に位置する。ノズル１０
の通常作動（即ち、絞り及び全開流れ状態）の間、排気
ガスは、収束ダクト１２を通って加速し、スロート１６
において音速（マッハ１．０）になり、拡散ダクト１４
を通って加速され続け、ノズルの出口１８において超音
速（マッハ１．０を超える）になる。流れ特性は、スロ
ート１６及び出口１８の断面積、並びに初期排気ガス圧
力、温度及び流量によって変化する。
【００１０】排気ノズル１０は、ノズルをエンジン（図
示せず）の下流側端部に対して取り付けるための支持体
２０を含む。支持体２０は、エンジンの下流側端部から
収束ダクト１２の上流側端部まで延びる遷移ダクトを含
むことが好ましい。遷移ダクトは、流路の断面形状を、
エンジンにおけるほぼ円形から収束ダクト１２における
ほぼ矩形に変える。基準中心線２２は、ノズル１０の中
心を示す。
【００１１】収束ダクト１２は、支持体２０に可動に接
続された第１及び第２の相対向する上流側収束フラップ
３０を含む。収束フラップ３０は、ピボット３２におい
て支持体２０の下流側端部に対して取り付けられること
が好ましい。フラップ３０は、油圧式もしくは電気式作
動装置（図示せず）を含む通常の制御システムによっ
て、所定位置に動かされる。各フラップ３０は、ピボッ
ト３２における上流側端部と、ノズルスロート１６近く
に位置する下流側端部との間に延びる。フラップ３０の
内部表面３４は、上流側排気ガス流路を形成する。内部
表面３４は、ほぼ平面であり、またそれらが支持体２０
において及び拡散ダクト１４において隣接構造につなが
るフラップ３０の端部において連続した輪郭にされる。
フラップ３０が連続した輪郭であることが、平滑な連続
流を遮り、推力性能を低下させる可能性がある如何なる
段差もしくは空隙のない、接合点における平滑な流路を
もたらす。非平面形状もしくは他の端部輪郭を持つフラ
ップ３０も、本発明の範囲から逸脱するものではない。
【００１２】第１及び第２の相対向する収束フラップ３
０は、フラップ３０の下流側端部によって形成されるノ
ズルスロート１６の寸法を調整するために、支持体２０
に対して枢動可能である。フラップ３０は、一般的に航
空機の前進飛行中に使用され、排気ガスがノズル１０を
通って流れることができる、図１に示す開位置に動くこ
とができる。当業者にとっては言うまでもないが、フラ
ップ３０の下流側端部間の距離は、特定の飛行条件及び
出力設定におけるエンジンの適切な運転に対して必要と
される範囲全体にわたって調節可能である。以下に説明
するように、フラップ３０は、図４に示す閉位置に可動
であり、その場合フラップの下流側端部上の突起４０は
接触して、排気ガス流路を通る流れを実質的に封鎖す
る。
【００１３】拡散ダクト１４は、第1及び第２上流側収
束フラップ３０にそれぞれ枢動可能に接続された第１及
び第２の相対向する下流側拡散フラップ５０を含む。拡
散フラップ５０の内部表面５２は、下流側排気ガス流路
を形成する。内部表面５２は平坦であるのが好ましい
が、本発明の範囲を逸脱することなく、非平坦な輪郭を
持つフラップ５０を使用することもできる。ノズル１０
が推力ベクトル位置にある図２に示すように、拡散フラ
ップ５０は、断面積を変更すること及び流れの向きを変
えるもしくはベクトル方向を変えることの両方を行うた
めに可動である。
【００１４】ライナ５４が、フラップ３０及び５０の内
部表面３４および５２上に設けられるが、ライナを省略
しても本発明の範囲から逸脱しないことを理解された
い。ライナは、レーダ又は赤外線視認性を減少させ、あ
るいはライナの熱的保護を高めるための材料からなる１
つ又はそれ以上の被覆層（図示せず）を有していてもよ
い。拡散フラップ５０に沿ったライナ５４は、平坦であ
りまた輪郭に合わせた端部がないことから、メンテナン
ス目的のために簡単に取り外し再取り付けすることがで
きる。
【００１５】側壁（図示せず）は、収束及び拡散ダクト
１２及び１４それぞれの内部に流れを封じ込めるため
に、ノズル１０の各側部に沿って設置される。側壁は、
無孔で、平坦であり、また収束及び拡散フラップ３０及
び５０がそれぞれ係合する時、ダクト１２及び１４の全
長に沿ってほぼ矩形形状の流路を形成するような方向に
向いている内部表面を有することが好ましい。しかしな
がら、側壁は、本発明の範囲から逸脱することなく、様
々な形状、長さ、もしくは通気孔が設けられた（即ち無
孔でない）構成とすることができる。
【００１６】全体を６０で示す、ヒンジ接合部もしくは
継手は、各上流側収束フラップ３０を対応する下流側拡
散フラップ５０に接続する。図３によると、継手６０
は、収束及び拡散フラップの位置合わせされた穴を通っ
て延びるヒンジピン６２を含む。収束フラップ３０の下
流側端部及び拡散フラップ５０の上流側端部は、枢動接
続されるように構成され、フラップ間の相対的角運動が
可能になっている。拡散フラップ５０は、その一端上
に、収束フラップ３０とクレビス型取付けを形成する１
つ又はそれ以上のラグを備えるフック状のコネクタ６４
を有する。収束フラップ３０の流れ側内部表面３４は、
ヒンジピン６２の周りに湾曲している。収束フラップ３
０は、後方端部から延びる突起４０を有する。拡散フラ
ップ５０は、ヒンジピンに中心を置く案内面を形成す
る、弓形の凹面形状をした表面６６を有し、突起４０を
受け入れる。フラップが互いに対して動く時、突起４０
は、表面６６と突起の先端７０との間に狭い間隙６８を
形成して案内面内で動く。
【００１７】全体を８０で示すシールが、継手６０に設
置され、排気ガスが収束フラップ３０と拡散フラップ５
０との間の間隙６８を通って漏洩するのを防止する。流
路圧力はノズル１０の外側の圧力よりも高いので、排気
ガスは、流路流れからフラップと外部モールド線との間
のフラップ空洞に漏洩する傾向にある。排気ガスの漏洩
は、ノズルの推力性能を低下させる。シール８０は、拡
散フラップ５０の凹状表面６６と収束フラップ３０上の
肩部８２とに同時に係合する形状にされる。シール８０
は、第１及び第２脚部８４及び８６をそれぞれ有する。
第２脚部８６は、表面６６に取り付けられる。第１脚部
８４は、肩部８２に沿って摺動可能であり、ヒンジピン
６２の周りのフラップの回転動作を邪魔することなくシ
ールを提供する。第１脚部８４は、肩部８２に係合し、
第１脚部が肩部から外れている図４及び図５に示すよう
に、フラップが閉位置に回転された後にシール８０を適
切な作動位置に戻すのに適するようになっている上側に
曲げられた先端８８を有する。シール８０は、金属薄板
（例えば、ウェストヴァージニア州ハンチントンにある
Ｉｎｃｏ Ａｌｌｏｙｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌ，Ｉｎｃ．の登録商標であるＩＮＣＯＮＥＬ合金のよ
うなニッケル合金）のような、高温下においても、凹部
表面６６に対して摺動可能に係合し、シールするのに適
した弾性コンプライアント材料で形成される。
【００１８】重要なことには、シール８０は、スロート
１６から下流に設置されるので、シールは、それがスロ
ートから上流の位置にある場合より、低い排気ガス圧力
に曝される。このことにより、シール全体にわたる圧力
差が、スロート１６から上流に設置されるシールの場合
より小さくなるので、シール８０は、より軽く、より効
果的でより信頼性があるものとなる。シール８０は、ノ
ズルから他の部品を取り外しすることなく、ノズル１０
に取付け、またそれから取り外しできる場所に設置され
る。従って、シール８０は、損傷した場合に容易に取替
えることができる。他の形状を有するシールであって
も、本発明の範囲から逸脱することなく使用できる。
【００１９】各突起４０は、収束フラップ３０が開位置
にある時、突起が排気ガス流の上流側境界及び排気ガス
流の下流側境界の外側にあるような寸法にされ位置決め
される。図１〜図３に示すように、突起４０は、フラッ
プが前進飛行に対する位置にある時、案内面内に全体的
に隠され、あるいはしまい込まれる。これらの位置にお
いては、突起４０は保護され、外部レーダセンサには視
認されない。
【００２０】収束フラップ３０が、図４及び図５に示す
ように閉位置に動かされた時、突起４０は剥き出しにさ
れ、もしくは使用位置になる。相対向する突起４０は、
封鎖部材として機能し、ほぼ気密な状態で互いに係合
し、排気ガス流路を通る流れを実質的に封鎖する。対向
する突起に係合する各突起の先端７０は、フラップ構造
体と同一の金属で形成される剥き出しの金属とすること
ができるし、あるいは、シールに適した金属パッドで被
覆することができる。突起４０の間の接触が、上流側フ
ラップが閉位置にある時、第１及び第２上流側収束フラ
ップ３０間の係合の唯一の箇所となる。フラップ、ライ
ナ５４及び被覆層は、如何なる他の構造体とも接触せ
ず、従って、如何なる損傷も生じない。相対向する突起
４０は、ノズル１０が閉位置にある時、互いに対して締
まり嵌めを形成して、接触領域９０（図５）において互
いに係合する寸法に作られる。締まり嵌めは、突起４０
が互いに対してしっかり押付けられ、ノズルシャットを
効果的にシールすることを確実にするのに役立つ。
【００２１】当業者にとっては言うまでもないことなが
ら、本発明の範囲から逸脱することなく、突起４０は、
収束フラップ３０から延びるのに代えて、下流側拡散フ
ラップ５０から延びることができる。さらに、突起４０
は、それらが全体として互いに対するシールを形成する
限り、実質的にあらゆる形状とすることができる。
【００２２】図６は、本発明の第２実施形態１００を示
し、シール１０２は、相対向する突起４０の１つの先端
７０上に装着される。フラップが閉位置に動いた時、シ
ール１０２は、対向する突起４０に係合してほぼ気密シ
ールを形成するように、弾性変形する。シール１０２
は、金属薄板（例えば、ＩＮＣＯＮＥＬのようなニッケ
ル合金）のような、高温下においても、対向する突起４
０に対してシールするのに適した弾性コンプライアント
材料で形成される。第２シール１０２はまた、反対側の
突起の先端７０上に装着することもできる。図６に示す
シール１０２は、押し込められたリーフシール設計であ
るが、対向する突起４０に接触してシールする他の形状
であっても、本発明の範囲から逸脱することなく使用で
きる。
【００２３】図７に示す本発明の第３実施形態１１０
は、収束フラップ３０の下流側端部上に装着されるシー
ル１１２を含む。シール１１２は、排気ガスが収束フラ
ップ３０と拡散フラップ５０との間の間隙６８を通って
漏洩するのを防止する。第３実施形態１１０の収束フラ
ップ３０は、下流側端部上に第２突起１１４を有する。
第２突起１１４は、その先端に空洞１１６を有し、その
中に弾性コンプライアントシール１１２が配置される。
シール１１２は、金属薄板（例えば、ＩＮＣＯＮＥＬ合
金のようなニッケル合金）のような、高温下において
も、凹部表面６６に対して摺動可能に係合し、シールす
るのに適した弾性コンプライアント材料で形成される。
シール１１２は、ほぼＷもしくはＥ字形状に形成された
通常の設計である。第３実施形態１１０の１つの利点
は、シール１１２がノズル１０の後方端部を通してアク
セス可能であり、ノズルの他の部品を取り外したり分解
したりすることなく取り付け取り外しができることであ
る。
【００２４】本発明またはその好ましい実施形態の要素
を説明する際に、「単一の」、「複数の」あるいは「多
数の」などの数詞の特定がない限り、１つ又はそれ以上
の要素があることを意味することを意図している。「含
む」、「備える」及び「持つ」は、包括的であることを
意図し、列挙された要素の他に追加の要素があってもよ
いことを意味する。
【００２５】本発明の技術的範囲から逸脱することな
く、様々な変更が前述の構造においてなされ得ることか
ら、前記説明に包含されもしくは付随する図面に示され
る全ての事項は、例示的なものにすぎず、限定する意味
ではないと解釈されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 開位置にある本発明による排気ノズルの概略
側面断面図。
【図２】 上向き推力ベクトル位置にあるノズルの部分
の拡大概略側面断面図。
【図３】 開位置にあるノズルのヒンジ継手の拡大図。
【図４】 閉位置にある排気ノズルの概略側面断面図。
【図５】 シール係合されるフラップの突起を示す、図
４の部分の詳細図。
【図６】 本発明の第２実施形態の詳細図。
【図７】 本発明の第３実施形態の詳細図。
【符号の説明】
１０ 排気ノズル １２ 収束ダクト １４ 拡散ダクト １６ スロート １８ 出口 ２０ 支持体 ３０ 上流側フラップ ４０ 突起 ５０ 下流側フラップ ５４ ライナ ６０ ヒンジ継手

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 排気ノズル（１０）をエンジンの下流側
    端部に取り付けるための支持体（２０）と、 前記支持体（２０）に可動に接続され、上流側排気ガス
    流路を形成する内部表面（３４）を有し、その各々が、
    上流側端部と下流側端部との間に延び、該下流側端部が
    第１の距離だけ間隔をおいている開位置と、該下流側端
    部が接触して前記排気ガス流路を通る流れを実質的に封
    鎖する閉位置との間で前記支持体（２０）に対して可動
    である第１及び第２の相対向する上流側フラップ（３
    ０）と、 前記第１及び第２上流側フラップ（３０）に可動に接続
    され、下流側排気ガス流路を形成する内部表面（５２）
    を有する第１及び第２の相対向する下流側フラップ（５
    ０）と、 を含むことを特徴とする航空機エンジン用排気ノズル
    （１０）。
  2. 【請求項２】 前記上流側及び下流側フラップ（３０、
    ５０）は接合部（６０）において接続され、前記フラッ
    プの少なくとも２つは前記接合部（６０）においてその
    上に突起（４０）を有し、前記突起（４０）は、前記上
    流側フラップ（３０）が前記閉位置にある時、前記上流
    側及び下流側排気ガス流路を通る流れを実質的に封鎖す
    るために接触するような寸法にされ位置決めされること
    を特徴とする請求項１に記載の排気ノズル（１０）。
  3. 【請求項３】 前記突起（４０）は、前記上流側フラッ
    プ（３０）が前記開位置にある時、それらが前記上流側
    排気ガス流路及び下流側排気ガス流路の外側にあるよう
    な寸法にされ位置決めされることを特徴とする請求項２
    に記載の排気ノズル（１０）。
  4. 【請求項４】 前記第１及び第２上流側フラップ（３
    ０）は、前記上流側フラップ（３０）が前記閉位置にあ
    る時、前記突起（４０）においてのみ係合可能であるこ
    とを特徴とする請求項２に記載の排気ノズル（１０）。
  5. 【請求項５】 前記突起（４０）は、前記上流側フラッ
    プ（３０）の各々の前記下流側端部から延びることを特
    徴とする請求項２に記載の排気ノズル（１０）。
  6. 【請求項６】 前記下流側フラップ（５０）の各々は、
    前記上流側フラップ（３０）が前記開位置にある時、そ
    の上流側端部に、対応する前記上流側フラップ（３０）
    から延びる前記突起（４０）を受け入れるための内部案
    内面を有することを特徴とする請求項５に記載の排気ノ
    ズル（１０）。
  7. 【請求項７】 前記案内面は弓形であることを特徴とす
    る請求項６に記載の排気ノズル（１０）。
  8. 【請求項８】 前記上流側フラップ（３０）と前記下流
    側フラップ(５０)との間に設置され、前記上流側フラッ
    プ（３０）と前記下流側フラップ（５０）との間から排
    気ガスが漏洩するのを防止するシール（８０）をさらに
    含むことを特徴とする請求項１に記載の排気ノズル（１
    ０）。
  9. 【請求項９】 前記上流側フラップ（３０）は、前記支
    持体(２０)に枢動可能に取り付けられ、前記下流側フラ
    ップ（５０）は、前記上流側フラップ（３０）に枢動可
    能に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の
    排気ノズル（１０）。
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